CC430F6135的無線智能家居控制系統(tǒng)設計

摘要：針對現(xiàn)有家居控制系統(tǒng)功耗大和成本高等缺陷，設計了一種基于CC430F6135單片機的低功耗智能家居控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有功耗低、控制可靠性高、人性化等特點。介紹了CC430F6135芯片內(nèi)部集成的RF無線模塊特點和家居控制系統(tǒng)的結(jié)構原理，給出了硬件設計框圖和軟件流程，詳細分析了中央控制模塊、RF無線收發(fā)功能模塊和觸摸屏控制模塊。實驗結(jié)果驗證了采用CC430F6135設計家居控制系統(tǒng)的可行性。系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，有較好的應用前景。
關鍵詞：家居控制；低功耗；CC430F6135；觸摸屏

引言
    科技的不斷進步，特別是計算機技術、通信技術和控制技術的迅猛發(fā)展與應用，促使廣大居民家庭實現(xiàn)了生活方式現(xiàn)代化和居住環(huán)境舒適化與安全化。家居智能化成為了一種趨勢，智能家居室內(nèi)控制系統(tǒng)包括安防系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)、燈光和家電控制系統(tǒng)等。隨著智能家居的不斷發(fā)展，對控制系統(tǒng)的快速性、便利性、可靠性和低能耗的要求不斷提高。因此，開發(fā)一種低功耗并且方便操作的家居控制系統(tǒng)，能夠彌補目前智能家居的缺陷。
    參考文獻設計的智能家居控制系統(tǒng)必須依靠Internet網(wǎng)絡才能實現(xiàn)對整個家居系統(tǒng)進行控制，這大大限制了應用場合，使其應用具有一定的局限性。參考文獻設計的家居控制系統(tǒng)利用ZigBee無線通信技術作為通信工具，但是其必須利用單獨的外接ZigBee模塊才能完成通信功能，所以制作成本較高。針對以上缺點，本系統(tǒng)采用MSP430系列單片機CC430F6135，其不但具有MSP430系列單片機的低功耗性能，而且具有RF無線收發(fā)器的功能，這兩種性能充分滿足了低功耗和無線通信的要求，使得系統(tǒng)的成本降低。本系統(tǒng)采用了觸摸屏來對整個系統(tǒng)進行控制，方便用戶使用，避免了操作面板上繁瑣器件給使用帶來的不便。

1 裝置整體運行原理
    智能家居系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能大概有以下幾個方面：
    ①安防功能。目前家庭安防系統(tǒng)主要功能是監(jiān)控非法闖入和門的開關等。一旦出現(xiàn)問題事件，系統(tǒng)會自動發(fā)出相應的信號給主控制器，及時通知用戶有情況發(fā)生。
    ②家電控制。對家電實行智能控制，用一個便攜的觸摸屏控制器就可以控制家里的任何電器，包括電視機、冰箱、空調(diào)、電腦等，還可以實現(xiàn)定時開關電器等功能。
    ③燈光控制。根據(jù)不同的室內(nèi)自然光強度，可以智能地調(diào)節(jié)發(fā)光強度，外加的光敏控制元件可以感測外面光的強度，并根據(jù)實際設定的要求自動調(diào)節(jié)光照強度。
    智能家居控制系統(tǒng)依靠一個主控制器來對整個家居進行控制，包括家電控制、燈光控制、家庭安防控制等，整個控制均通過觸摸屏操作完成，方便用戶使用。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，主控制器采用MSP430系列單片機CC430F6135為核心，其與觸摸屏通過串口進行通信，觸摸屏界面包含了家電控制、燈光控制、安防控制3個部分，點擊其中一個模塊會進入到相應的子模塊中，其詳細控制流程在軟件部分會詳細介紹。當觸動一個功能后，觸摸屏通過串口傳遞給CC430F6135控制指令，CC430F6135分析指令并通過其內(nèi)部集成的RF無線收發(fā)模塊將控制指令發(fā)送給驅(qū)動模塊(驅(qū)動模塊由CC430F6135控制)，驅(qū)動模塊通過其內(nèi)部的RF無線收發(fā)模塊接收指令，并按照指令要求驅(qū)動相應的家電設備。

    MSP430單片機最大特點就是低功耗，而且內(nèi)部集成的RF無線通信模塊可以節(jié)省外部單獨外接的無線模塊，降低成本，觸摸屏的應用可以方便用戶使用，避免了面板上繁瑣的按鈕器件給用戶帶來的不便。整個主控制器完全是手持化產(chǎn)品，方便移動和操作。

2 系統(tǒng)硬件設計
    智能家居控制系統(tǒng)的硬件設計包括主控制器設計和各個子驅(qū)動模塊設計。
2．1 主控制模塊設計
2．1．1 CC430F6135器件介紹
    CC430F6135是MSP430F6xx MCU與低功耗RF收發(fā)器相結(jié)合的產(chǎn)品，可實現(xiàn)極低的電流消耗，從而使采用電池供電的無線網(wǎng)絡應用無需維修即可工作長達數(shù)年以上。而且微型封裝所包含的高級功能還可為創(chuàng)新型RF傳感器網(wǎng)絡提供核心動力，以向中央采集點報告數(shù)據(jù)。CC430F6135為16位超低功耗MCU，具有16 KB程序存儲器、2 KB的SRAM、CC1101無線電和USCI，供電電壓為1．8～3．6 V，正常工作模式消耗電流為160μA／MHz，低功耗模式3消耗電流為2．0μA，從待機模式到喚醒模式響應時間不超過6μs。[!--empirenews.page--]
2．1．2 CC430F6135的RF無線收發(fā)模塊電路
    CC430F6135內(nèi)部集成了CC1101無線電收發(fā)器，本設計中的RF頻率為889．99 MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為51．343 kbps，信道間隔為211．572 kHz，在本系統(tǒng)設計中，通過軟件可以調(diào)節(jié)RF無線發(fā)送功率的大小，這樣根據(jù)發(fā)射距離的遠近去設置功率的大小，達到降低功耗的目的。其電路圖如圖2所示，因為系統(tǒng)需要5 V電源和3 V電源，所以在本系統(tǒng)中選用了5 V的電池，經(jīng)過LM1117轉(zhuǎn)換成3 V供給單片機。CC430F6135外接晶振為26 MHz。RF_N和RF_P為RF無線電發(fā)射引腳，兩引腳外接天線，其功率可以達到-100 dBm以上。其傳輸距離在無間隔的情況下可以達到200 m左右，在有墻壁的情況下可以達到60 m，完全滿足家居控制系統(tǒng)的要求。

2．1．3 觸摸屏控制模塊電路設計
    本系統(tǒng)選用了北京迪文科技的DMT32240T03501WN型觸摸屏，所有的智能顯示終端都是基于圖形界面操作。其為4線電阻式模擬觸摸屏，終端尺寸為3．5英寸，圖形點陣為320×240，背光模式為LED式，輸入電壓可以選擇范圍為3～10 V，內(nèi)置32 MB存儲器，60個字庫容量，支持GBK(簡體)、BIG5(繁體)等，而且支持用戶自己設計的字庫，其內(nèi)部有96 MB的圖片存儲空間，最多存儲153幅全屏圖片。其提供RS232串口與PC等進行通信，通信方便，數(shù)據(jù)最高傳輸速率可以達到115 200 bps。此觸摸屏提供兩種供電方式，分別為+3 V和+5 V。
    DMT32240T035_01WN型觸摸屏提供了豐富的指令集，通過輸入相關的指令即可實現(xiàn)特定的功能，包括設置當前調(diào)色板顏色、設置字符間隔、光標顯示、文本顯示、點顯示、圖片顯示、保存屏幕當前顯示的圖片、圖片剪切、動態(tài)顯示曲線波形、頻譜顯示、時間顯示、蜂鳴器音量調(diào)節(jié)等，這些功能以及在本系統(tǒng)中的應用將在軟件設計中作詳細的介紹。
    DMT32240T035_01WN型觸摸屏在本系統(tǒng)采用的是+5 V的供電方式，根據(jù)器件本身的特性，其UART串口輸出為+5 V的電平，因為CC430F6135的SCIA口輸出的+3 V電壓，這就需要一個電平轉(zhuǎn)換芯片將CC430F6135輸出的+3 V轉(zhuǎn)換成+5 V電壓，以便和觸摸屏進行通信。為此選用了SP32 23E型RS232接口芯片，其工作電壓為+3 V，其外部需要連接4個電容以維持系統(tǒng)運行，其與觸摸屏和CC430F6135硬件連接圖如圖3所示。SP32 23E外接+3 V電源，其需要并聯(lián)兩個電容以便能夠獲得較好的標準電壓，／EN直接地使SP3223E一直處于工作狀態(tài)，CC430F6135的TX端口與SP 3223E的T1IN端口相連，RX口與R10UT端口相連，SP3223E的T10UT端口與觸摸屏的TX端口相連，R1IN端口與觸摸屏的RX端口相連，這樣就具備了CC430F6135與觸摸屏的串口通信功能。

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2．2 安防控制系統(tǒng)設計
2．2．1 門控系統(tǒng)
    門控系統(tǒng)的作用是當主控制器發(fā)出開門或關門的指令后，門控系統(tǒng)會根據(jù)指令的要求進行開門或者關門，此系統(tǒng)采用CC430F6135控制繼電器開通，進而控制旋轉(zhuǎn)電機工作去控制門的動作，為了保證繼電器可靠而穩(wěn)定的工作，本文選用TIANB0 HJR-3FF-S-Z系列繼電器，此繼電器負載端電壓可以達到250 AVC／30 DVC，在環(huán)境溫度介于-30～+60℃之間可以工作1×105次以上。工作電壓為+5 V，額定工作電流為70 mA，因為CC430F6135的I／O輸出為+3 V，所以不能直接驅(qū)動繼電器工作，所以中間需加一晶體管S8050作為開關來控制繼電器的開關，繼電器通過接收CC430F6135的控制信息完成相應的控制動作。門控系統(tǒng)電路如圖4所示。

2．2．2 報警電路設計
    報警電路的作用是通知用戶有人在門外或者有人闖入指定區(qū)域，其工作原理是當人體接近紅外探頭時，紅外模塊會發(fā)出一個信號給單片機，單片機會將有人接近的指令傳送給主控制器，進而通知用戶有人在門外。如圖5所示，本模塊采用紅外熱釋電處理芯片BISS0001，BISS00 01是一款高性能的傳感信號處理集成電路。靜態(tài)電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構成被動式的熱釋電紅外傳感器，廣泛用于安防、自控等領域。首先熱釋電紅外傳感器在有人接近的時候會輸出一個信號，BISS0001內(nèi)部的運算放大器0P1將此信號作第一級放大，然后由運算放大器OP2進行第二級放大，再經(jīng)由電壓比較器COP1和COP2構成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號Vs給CC430F6135，CC 430F6135檢測出信號的變化，將觸發(fā)指令通過內(nèi)部集成的RF模塊傳輸給主控制器，完成報警電路功能。

2．3 家電及燈光硬件電路設計
    家電控制與門控系統(tǒng)的硬件電路基本相同，都是采用CC430F6135控制繼電器的開關進而去控制家電的開關，其電路圖與圖4基本相同，在這里就不再給出硬件電路圖。主控制器發(fā)出打開某個家電的命令，接收模塊接收到命令后判斷指令的功能，然后根據(jù)預先設計好的程序進行相關的控制。
    燈光控制模塊作用是對燈光的進行智能調(diào)節(jié)，這部分與圖5的報警模塊類似。在有人的情況下，系統(tǒng)會自動打開燈，如果沒人活動燈會自動關斷。在白天光照強烈的情況下，光敏電阻R9的阻值會降到最低，相當于短接，這時會使BISS0001芯片關閉，停止工作，這樣芯片不再輸出控制信號，使燈自動關閉。

3 系統(tǒng)軟件設計
    智能家居控制系統(tǒng)的軟件設計包括主控制器的軟件設計、驅(qū)動模塊的軟件設計和觸摸屏軟件設計。[!--empirenews.page--]
3．1 主控制器軟件設計
    主控制器程序流程如圖6所示。首先觸碰觸摸屏的開始圖標，系統(tǒng)開始運行，此時觸摸屏的界面會顯示出3個模塊，分別為家電控制模塊、門控模塊、燈光模塊，每個模塊都有自己的控制功能，以家電控制模塊為例進行說明。觸碰家電模塊后，觸摸屏界面顯示一個框圖表，包括電視機、音響、電腦等家電設備。觸碰到電視機后，CC430F6135利用內(nèi)部集成的RF收發(fā)模塊發(fā)出打開家電的控制指令給CC430F6135為控制核心的驅(qū)動模塊。驅(qū)動模塊接收指令并判斷指令的功能，然后連接到電視機的端口會置為高電平，此時控制電視機的繼電器會閉合，電視機被打開，至此整個控制操作完成。在間隔40 s內(nèi)若沒有觸碰觸摸屏則CC430F6135會進入低功耗模式3中，系統(tǒng)的DC發(fā)生器被關斷，只有晶振是活動的，系統(tǒng)的總中斷允許位被打開。此時觸摸屏也會進入低功耗模式，屏幕顯示為黑白色，進入低亮模式，這樣就能使功耗達到最低，延長電池使用時間。

3．2 驅(qū)動模塊軟件設計
    家電控制、門控控制、燈光控制等的驅(qū)動模塊基本相同，現(xiàn)以家電控制的驅(qū)動模塊為例進行說明，其程序流程如圖7所示。驅(qū)動模塊初始階段會一直處于低功耗模塊中，當主控制器發(fā)送控制指令后，驅(qū)動模塊會被RF接收中斷喚醒，并執(zhí)行相應的指令功能。執(zhí)行成功后，會發(fā)送執(zhí)行成功的指令給主模塊，然后進入到低功耗模式中，此時驅(qū)動模塊的CC430F6135的I／O口會一直保持狀態(tài)不變，DC發(fā)生器被關斷，主中斷被打開，此時功耗達到最低。
3．3 觸摸屏軟件設計
    DMT64480T056 01W型觸摸屏內(nèi)部集成了指令集，只要按照指令的要求通過串口輸送給觸摸屏，就可以實現(xiàn)該指令的功能，所有指令均是以十六進制為標準。在電腦上通過軟件可以將圖片和圖片固定區(qū)域代表的指令下載到觸摸屏中。其原理是當觸碰觸摸屏的一個區(qū)域后，觸摸
屏會輸出預先配置好的指令給單片機，其指令代碼規(guī)則為AA xx CC 33 C3 3C。在這里AA為固定的開始指令，之后xx是代表觸碰區(qū)域預先設置好的指令代碼，CC 33 C33C為固定的結(jié)尾指令。輸出完這些十六進制字符后，單片機通過判斷xx的值，進而去實現(xiàn)指定的功能。不同的區(qū)域可以設置不同的指令代碼，這樣就可以實現(xiàn)同一個界面多個觸碰區(qū)域多個命令的功能。


結(jié)語
    本文設計了一種基于CC430F6135的智能家居控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要是由主控制器和驅(qū)動模塊組成，系統(tǒng)采用的CC430F6135內(nèi)部集成的RF收發(fā)模塊和觸摸屏是本系統(tǒng)的亮點，不但節(jié)約成本而且方便用戶使用。